在紫外单光子探测领域，传统真空光电倍增管仍是目前采用的主流探测器件，但存在体重大、寿命短、易受磁场和白光干扰等固有问题。碳化硅（SiC）单光子雪崩二极管（SPAD）因其可见光盲、体积小、耐高温等系列性能优势，被视为下一代紫外单光子探测应用的理想选择。然而，因为需要持续在高临界击穿电场下工作，SiC SPAD的可靠性一直是制约其实用化的关键瓶颈。

2025年12月，南京大学电子科学与工程学院和合肥实验室陆海教授团队在IEEE Electron Device Letters上发表了最新研究成果，成功设计并制备出一种具有分离吸收-电荷-倍增（SACM）结构的高可靠性SiC紫外SPAD，在连续工作超过10,000小时、累计雪崩计数超过10¹⁴次后，性能仍无衰减，首次系统验证了SiC SPAD在盖革模式下的长期可靠性，为其实用化迈出关键一步。 

传统SiC APD在高电场下易出现早期击穿、表面漏电增加、电极退化等问题。团队通过引入“穿通型”SACM结构，精确调控电荷控制层掺杂，使器件在高压下实现吸收层完全耗尽，并将高电场限制在底部的倍增层内，有效降低了顶部电极和表面钝化层所承受的电场强度，从而显著提升器件长期工作的稳定性。TCAD仿真结果显示，在雪崩状态下，器件内部电场分布得到有效控制，无局部尖峰，为高可靠性运行奠定了基础。

图1. (a) 器件结构示意图。(b) TCAD仿真的器件横截面电场分布。

制备的SiC SPAD在室温下表现出优异性能：

·单光子探测效率（SPDE）：26.8% @ 270 nm

·暗计数率（DCR）：8.75 Hz/μm²

·零偏压峰值响应度：0.163 A/W（285 nm），外量子效率达71.1%

·最大线性计数率：＞1 MHz，饱和计数率＞10 MHz 

此外，器件在雪崩击穿电压（~317V）前暗电流保持在pA量级，击穿电压正温度系数为26.7 mV/℃，表现出良好的温度稳定性。

图2. (a) SiC SPAD I-V曲线与增益特性。(b) SiC SPAD光谱响应曲线。(c) SiC SPAD的DCR和SPDE随过偏压的变化。(d) SiC SPAD 光子计数率随入射光强的变化关系。

为评估器件可靠性，团队搭建了长期实时监测系统，在16V过偏压下进行了超过10,000小时的连续工作：

·前5000小时：暗态下，DCR稳定在~47 kHz，无退化；

·后5000小时：在270 nm UV光照射下，以饱和计数率（10 MHz）持续工作；

·累计雪崩事件：超过10¹⁴次。

经万小时老化测试后，器件的I-V特性、击穿电压、SPDE与DCR曲线均未出现退化，首次以实验数据直接证明SiC SPAD可具备长期高可靠单光子探测能力。

图3. (a) (b) 长期可靠性实时监测系统实物与示意图。(c) SiC SPAD 实时监测数据。

图4. SiC SPAD在10,000小时长期连续运行后的(a)暗电流和(b)单光子探测性能。

南京大学和合肥实验室团队通过创新的器件结构与工艺优化，首次实现SiC SPAD在持续雪崩工作条件下的万小时可靠性验证，器件单光子探测性能无衰减，标志着SiC紫外单光子探测器向实用化迈出坚实一步。未来随着器件工艺进一步成熟与系统集成能力提升，SiC紫外单光子探测器将在电网安全监测、生化检测、量子精密测量和国防预警等领域扮演重要角色，推动第三代半导体在光电探测领域的深度应用。

相关工作得到了科技创新2030-重大项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省重点研发计划等多个项目的支持。